Погрешности алгоритма демодуляции с генерируемой фазой несущей, вносимые фильтром низкой частоты
https://doi.org/10.17586/2226-1494-2023-23-4-795-802
Аннотация
Введение. Представлены результаты исследования погрешности метода гомодинной демодуляции на основе решений функции арктангенса (PGC-ATAN). Метод связан с использованием фильтра низких частот в данном алгоритме демодуляции фазы сигнала. Метод. Исследован метод демодуляции интерференционного сигнала методом PGC-ATAN. Обнаружены и рассмотрены погрешности на этапе фильтрации методом скользящего среднего. Аналитически рассчитаны поправки к сигналу с учетом погрешности, вносимой фильтром низких частот. Основные результаты. Выведены формулы для расчета поправок к сигналам S1(t), S2(t), S3(t), S4(t) полученным с помощью фильтрации исходного сигнала, умноженного на сигнал опорного генератора. Выполнено сравнение результатов расчетов с данными математического моделирования обработки интерференционного сигнала методом PGC-ATAN. Демодуляция сигнала с учетом поправок показала, что влияние на фазу сигнала оказывается небольшим при невысокой скорости нагрева. Замечено, что для высокоскоростных процессов погрешность может приводить к серьезным искажениям искомой фазы сигнала. Обсуждение. Рассчитанные поправки к обрабатываемому интерференционному сигналу позволят улучшить метод демодуляции на основе вычислений функции арктангенса и точнее рассчитывать искомую фазу сигнала.
При поддержке: Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации, госзадание № 2019-0923.
Об авторах
Г. П. Мирошниченко
Университет ИТМО
Россия
Россия
Мирошниченко Георгий Петрович — доктор физико-математических наук, профессор, профессор
sc 55401299600
Санкт-Петербург, 197101
А. Н. Аржаненкова
Университет ИТМО
Россия
Россия
Аржаненкова Алина Николаевна — аспирант
sc 57674300400
Санкт-Петербург, 197101
М. Ю. Плотников
Университет ИТМО
Россия
Россия
Плотников Михаил Юрьевич — кандидат технических наук, старший научный сотрудник
sc 57193069973
Санкт-Петербург, 197101
Список литературы
1. Dandridge A., Tveten A.B., Giallorenzi T.G. Homodyne demodulation scheme for fber optic sensors using phase generated carrier // IEEE Journal of Quantum Electronics. 1982. V. 18. N 10. P. 1647–1653. https://doi.org/10.1109/jqe.1982.1071416
2. McGarrity C., Jackson D. Improvement on phase generated carrier technique for passive demodulation of miniature interferometric sensors // Optics Communications. 1994. V. 109. N 3-4. P. 246–248. https://doi.org/10.1016/0030-4018(94)90687-4
3. Kersey A.D. A Review of recent developments in fber optic sensor technology // Optical Fiber Technology. 1996. V. 2. N 3. P. 291–317. https://doi.org/10.1006/ofte.1996.0036
4. Wu K., Min Z., Liao Y. Signal dependence of the phase-generated carrier method // Optical Engineering. 2007. V. 46. N 10. P. 105602. https://doi.org/10.1117/1.2799518
5. Lin W.-W., Huang S.-C., Chen M.-H. Fiber optic microampere dc current sensor // Optical Engineering. 2003. V. 42. N 9. P. 2551–2557. https://doi.org/10.1117/1.1597675
6. Feng L., He J., Duan J.-Y., Li F., Liu Y.-L. Implementation of phase generated carrier technique for FBG laser sensor multiplexed system based on compact RIO // Proc. 1st Asia-Pacifc Optical Fiber Sensors Conference, APOS. 2008. https://doi.org/10.1109/APOS.2008.5226295
7. Liu Y., Wang L., Tian C., Zhang M., LiaoY. Analysis and optimization of the PGC method in all digital demodulation systems // Journal of Lightwave Technology. 2008. V. 26. N 18. P. 3225–3233. https://doi.org/10.1109/jlt.2008.928926
8. He J., Wang L., Li F., Liu Y. An ameliorated phase generated carrier demodulation algorithm with low harmonic distortion and high stability // Journal of Lightwave Technology. 2010. V. 28. N 22. P. 3258–3265. https://doi.org/10.1109/jlt.2010.2081347
9. Azmi A.I., Leung I., Chen X., Zhou S., Zhu Q., Gao K., Childs P., Peng G. Fiber laser based hydrophone systems // Photonic Sensors 2011. V. 1. N 3. P. 210–221. https://doi.org/10.1007/s13320-011-0018-3
10. Plotnikov M.J., Kulikov A.V., Strigalev V.E., Meshkovsky I.K. Dynamic range analysis of the phase generated carrier demodulation technique // Advances in Optical Technologies. 2014. V. 2014. P. 815108. https://doi.org/10.1155/2014/815108
11. Zhang A., Zhang S. High stability fber-optics sensors with an improved PGC demodulation algorithm // IEEE Sensors Journal. 2016. V. 16. N 21. P. 7681–7684. https://doi.org/10.1109/jsen.2016.2604348
12. Беликин М.Н., Плотников М.Ю., Стригалев В.Е., Куликов А.В., Киреенков А.Ю. Экспериментальное сравнение алгоритмов гомодинной демодуляции сигналов для фазового волоконно-оптического датчика // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2015. Т. 15. № 6. С. 1008–1014. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2015-15-6-1008-1014
13. Volkov A.V., Plotnikov M.Y., Mekhrengin M.V., Miroshnichenko G.P., Aleynik A.S. Phase modulation depth evaluation and correction technique for the PGC demodulation scheme in fber-optic interferometric sensors // IEEE Sensors Journal. 2017. V. 17. N 13. P. 4143–4150. https://doi.org/10.1109/jsen.2017.2704287
14. Zhang Z., Zhang Z., Cheng J., Kong Y., Zhang L., Zhang D., Zhuang S., Peng W., Wu F., Zhu Y., Cui X. An improved phase generated carrier demodulation algorithm with high stability and low harmonic distortion // Optics Communications. 2022. V. 524. P. 128800. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2022.128800
15. Zhang S., Chen Y., Chen B., Yan L., Xie J., Lou Y. A PGC-DCDM demodulation scheme insensitive to phase modulation depth and carrier phase delay in an EOM-based SPM interferometer // Optics Communications. 2020. V. 474. P. 126183. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2020.126183
16. Li Q., Huang H., Lin F., Wu X. Optical micro-particle size detection by phase-generated carrier demodulation // Optics Express. 2016. V. 24. N 11. P. 11458–11465. https://doi.org/10.1364/OE.24.011458
17. Yu Z., Dai H., Zhang M., Zhang J., Liu L., Jin X., Luo Y. High stability and low harmonic distortion PGC demodulation technique for interferometric optical fber sensors // Optics & Laser Technology. 2019. V. 109. P. 8–13. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2018.07.055
18. Christian T.R., Frank P.A., Houston B.H. Real-time analog and digital demodulator for interferometric fber optic sensors // Proceedings of SPIE. 1994. V. 2191. P. 324–336. https://doi.org/10.1117/12.173962
19. Zhang S., Zhang A., Pan H. Eliminating light intensity disturbance with reference compensation in interferometers // IEEE Photonics Technology Letters. 2015. V. 27. N 17. P. 1888–1891. https://doi.org/10.1109/lpt.2015.2444421
20. Tong Y., Zeng H., Li L., Zhou Y. Improved phase generated carrier demodulation algorithm for eliminating light intensity disturbance and phase modulation amplitude variation // Applied Optics. 2012. V. 51. N 29. P. 6962–6967. https://doi.org/10.1364/AO.51.006962
21. Yang X., Chen Z., Ng J.H., Pallayil V., Unnikrishnan C.K.C. A PGC demodulation based on differential-cross-multiplying (DCM) and arctangent (ATAN) algorithm with low harmonic distortion and high stability // Proceedings of SPIE. 2012. V. 8421. P. 84215J. https://doi.org/10.1117/12.974939
22. Wang G.-Q., Xu T.-W., Li F. PGC demodulation technique with high stability and low harmonic distortion // IEEE Photonics Technology Letters. 2012. V. 24. N 23. P. 2093–2096. https://doi.org/10.1109/lpt.2012.2220129
23. He J., Li F., Zhang W., Wang L., Xu T., Liu Y. High performance wavelength demodulator for DFB fber laser sensor using novel PGC algorithm and reference compensation method // Proceedings of SPIE. 2011. V. 7753. P. 775333. https://doi.org/10.1117/12.885823
24. Zhang W., Xia H., Pan C., Huang W., Li F. Differential selfmultiplying-integrate phase generated carrier method for fber optic sensors // Proceedings of SPIE. 2014. V. 9233. P. 92331U. https://doi.org/10.1117/12.2069764
25. Peng F., Hou L., Yang J., Yuan Y., Li C., Yan D., Yuan L., Zheng H., Chang Z., Ma K., Yang J. An improved fxed phased demodulation method combined with phase generated carrier (PGC) and ellipse ftting algorithm // Proceedings of SPIE. 2015. V. 9620. P. 96200S. https://doi.org/10.1117/12.2190842
26. Wu B., Yuan Y., Yang J., Liang S., Yuan L. Optimized phase generated carrier (PGC) demodulation algorithm insensitive to C value // Proceedings of SPIE. 2015. V. 9655. P. 96550C. https://doi.org/10.1117/12.2184268
27. Бейтмен Г., Эрдейи А. Высшие трансцендентные функции. Т. 2. Функции Бесселя, функции параболического цилиндра, ортогональные многочлены / 2-е изд., пер. с англ. Н. Я. Виленкина, М.: Наука, 1974. С. 15.
Рецензия
Для цитирования:
Мирошниченко Г.П., Аржаненкова А.Н., Плотников М.Ю. Погрешности алгоритма демодуляции с генерируемой фазой несущей, вносимые фильтром низкой частоты. Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2023;23(4):795-802. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2023-23-4-795-802
For citation:
Miroshnichenko G.P., Arzhanenkova A.N., Plotnikov M.Yu. Errors in the demodulation algorithm with a generated carrier phase introduced by the low-pass flter. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics. 2023;23(4):795-802. (In Russ.) https://doi.org/10.17586/2226-1494-2023-23-4-795-802
Просмотров:
10
Послать статью по эл. почте 